超级电容充电器的研究现状

超级电容充电器的研究现状

0 引言

目前，国内外充电机比较常用的充电方式有：恒压充电、恒流充电、恒流转恒压充电、脉冲电流充电以及恒功率充电等。

恒压充电是指在充电的过程中，对电池进行恒定电压的充电，因此充电时充电电流将会越来越小。当充电电流减小到某一数值时，则电池充满，停止充电。

恒流充电是指在充电的过程中，对电池进行恒定电流充电，因此充电时充电电压将越来越大。当充电电压上升到某一数值时，则电池充满，停止充电。

恒流转恒压充电是指在充电的开始阶段采用恒流限压充电方式充电，当电池的端电压达到一定值后，再用恒压限流的方式充电。

脉冲电流充电是指在充电的过程中，对电池进行周期性脉冲电流充电。充电时一个周期内包括了充电时间和间歇时间，充电时间内充电机用较大的电流对电池进行充电，间歇时间内停止充电，这种充电方式能减小电池在充电过程中的极化现象[1]。

恒功率充电是指对电池进行恒定功率的充电，当电流变小时则电压变大，当电压变小时则电流变大，通过这种方式保持充电机输出电压和输出电流的乘积（即输出功率）不变。

随着超级电容的产生，充电技术也不断的发展。许多国家都加紧了针对超级电池充电机的研究。但是超级电容充电特性不同于普通蓄电池，它的起始电压低至零伏，目前在国内外针对超级电容这一特性的高效充电装置研究还较少，一般都是使用有恒流限压功能的线性充电器，对于超级电容的充电特性来讲，这种常规充电方式效率会很低，尤其在充电起始阶段，其效率甚至低于5%。

1 国外研究现状

上世纪70年代初，美国就开始了对动力电池充电器的研究工作，后来国外许多国家也纷纷加入其中，利用人工智能、模糊控制等先进技术[2]，改善了充电机的充电方式并取得了较好的效果。传统功能简单的充电机发展成功能齐全、易于控制的智能型充电设备，这种改善后的智能充电机能够实现对电流、电压、充电电池温度等相关参数的监测和显示；不仅能够实现充电策略的定制，而且还可以根据充电电池的种类以及电池状态来设定不同的充电方式；同时设计有各种充电保护电路，具有更高的安全性。

2 国内研究现状

上海交通大学2004年对电动车用超级电容（容量为50000F或者100000F的电容）采用恒流、恒流转恒压、恒压、恒功率四种充电方式进行充电，总结得出对超级电容充电时，超级电容的容量随充电电流的增加而下降；充电电流越大电容端电压升高速度就越快；当停止恒流充电时，恒流充电的电流越大，电容端电压的回落就越大；恒流和恒功率方式给超级电容充电时间比恒压和恒流转恒压充电时间短等特性[3]。

2010年浙江大学设计了一种恒功率超级电容充电机，对超级电容（100V/50F）做了恒功率充电试验，得出恒功率充电更有利于实现对超级电容的快速充电[4]。

中国船舶重工集团公司下的七一二研究所通过改变对超级电容（12V/60F）充电电流的大小，对超级电容的充放电特性进行了研究。得出在对超级电容充电时加入恒压充电的步骤，既能改善大电流充电时超级电容的放电容量，又能提高每个超级电容单体的一致性[5]。

中山职业技术学院研究设计了一种恒流转恒压混合控制的超级电容充电法。恒流转恒压充电法是指在给超级电容充电时，先采用恒定的大电流给超级电容充电，当充电电压与所设定的转折控制电压相等时，则停止恒流充电转为恒压充电，恒压充电到超级电容组端电压等于最高充电电压时停止充电。采用恒流转恒压充电方式的优点是：当较大电流充电时能节省充电时间，后期采用恒压充电时，可以解决超级电容单体间的均压问题。但是釆用恒流转恒压方式充电时，转折控制电压和最高充电电压设定的值非常重要，如果设定的值太小可能会造成超级电容没有充满，设定的值太大则可能造成超级电容充电时间过长，从而影响超级电容的使用寿命[6]。

2009年厦门大学也对超级电容的储能做了研究，得出以下结论：当中、小程度电流给超级电容充电时，超级电容电能的存储量比较稳定，当大电流给超级电容充电时，超级电容的储能量就会减小；用小电流给超级电容充电时效率较低，采用中等程度的电流给超级电容充电时充电效率最高，当充电电流增大到一定水平时，充电效率会随着电流的增加而下降[7][8]。

马鹏宇等9根据超级电容可以高脉冲大电流充放电的特点，提出一种具有自我监测和诊断功能的智能充电模块，可有效地对充电电路和超级电容器组提供过流保护、温度保护并提供通信接口。

2011年周翔等[10]研制了一种超级电容的充电装置及充电方法，该充电装置在充电的开始阶段，使用软启动方式，当超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积小于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用限流充电方式；当超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积大于等于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用恒功率充电方式。

虽然我国的对超级电容充电机的研究有了很大程度的发展，但同国外相比还有很大的差距。我国设计的超级电容充电机大多都是通用型充电机，但由于超级电容单体的端电压很小在使用时必须串联使用，如果釆用通用型充电机就会造成每个超级电容单体的差异性，从而

影响电池组性能的一致性，缩短电池的使用寿命。

[1] 陈一平.车载智能快速充电机的设计与研宄[D].天津:天津大学, 2008.

[2] 黄瑜侃.新型节能充电机的研究与设计[D].武汉.华中科技大学, 2011.

[3] 储君.电动车用超级电容参数特性的实验研究[D].上海:上海交通大学, 2004.

[4] 苏谢祖,颜钢锋.一种新型恒功率超级电容器快速充电机设计[J].电子技术应用, 2010,36(8): 73-76.

[5] 王贤泉,郑中华.超级电容器充放电特性研宄[J].船电技术控制技术. 2011 (4): 54-56.

[6] 袁芳革.串联超级电容器组恒流-恒压式快速均压充电策略[J].电源世界, 2010(9): 45-47.

[7] 蔡国营,王亚军,谢晶,黄晓贤,陈忠,陈金灿.超级电容器储能特性研究[J].电源世界. 2009(1): 33-37.

[8] Gualous H,Bouquain D, Berthon A, et al.Experimental study of super capacitor serial resistance and capacitance variations with temperature[J]. Power Sources, 2003, 123(1): 86-93.

[9] 马鹏宇,张东来,王毅.混合动力汽车超级电容充电器的研制[J].汽车工程, 2010, 32 (4): 356-358.

[10] 周翔,杨林,羌嘉曦,等.电动车用新型复合电源系统的设计[J].机电工程技术. 2012, 41 (3): 7-11.